基于CFD技術(shù)的群體建筑風(fēng)環(huán)境分析

徐劍瓊，曾瓊，胡帥博（廣州華立學(xué)院）

1 CFD技術(shù)與群體建筑風(fēng)環(huán)境的研究現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，我國(guó)城市化進(jìn)程在不斷推進(jìn)，對(duì)于建筑行業(yè)發(fā)展也提出了更高的要求。而在建筑技術(shù)不斷提高的同時(shí)，更多高層與超高層建筑群體開(kāi)始出現(xiàn)，同時(shí)也進(jìn)一步體現(xiàn)出體型復(fù)雜、布局多樣的特點(diǎn)。這樣復(fù)雜的結(jié)構(gòu)將會(huì)對(duì)建筑風(fēng)環(huán)境產(chǎn)生直接影響，并顯著提升了安全、健康、節(jié)能等要素管理的難度。例如，如果在高層建筑狹道內(nèi)形成高風(fēng)速以及過(guò)急渦流會(huì)給行人帶來(lái)不舒適的感覺(jué)，并降低建筑的安全系數(shù)[1]。在這樣的情況下，在對(duì)建筑進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)有效對(duì)建筑風(fēng)環(huán)境進(jìn)行合理預(yù)測(cè)與評(píng)估，從而對(duì)建筑群體規(guī)劃設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化指導(dǎo)?，F(xiàn)階段，在計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展的環(huán)境下，計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，以下簡(jiǎn)稱：CFD)更多被應(yīng)用于建筑領(lǐng)域?qū)嵺`當(dāng)中，同時(shí)相較于邊界層風(fēng)洞試驗(yàn)，CFD在應(yīng)用效率上具有著更加突出的優(yōu)勢(shì)。

2 建筑風(fēng)環(huán)境計(jì)算模型的建構(gòu)

2.1 模型簡(jiǎn)化

在實(shí)際開(kāi)展建筑風(fēng)環(huán)境測(cè)算之前需要進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算模型的構(gòu)建，需要以建筑實(shí)際尺寸為依據(jù)，從而完成三維幾何模型的構(gòu)建。不論是單體建筑還是群體建筑，構(gòu)建計(jì)算模型都需要考慮建筑周邊氣流分布的影響，同時(shí)為進(jìn)一步保證減少計(jì)算流程、加速計(jì)算收斂，還需要對(duì)建筑計(jì)算模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。結(jié)合綠色建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)際規(guī)定來(lái)看，模型再現(xiàn)區(qū)域應(yīng)確?？梢詫⒛繕?biāo)建筑邊界H(建筑物高度)以最高的細(xì)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)再現(xiàn)。與此同時(shí)，在對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化的過(guò)程中，還應(yīng)在保證建筑周邊流場(chǎng)分布的同時(shí)簡(jiǎn)化凹凸部分，特別是對(duì)于彎曲、傾斜的部位來(lái)說(shuō)，模型簡(jiǎn)化有著更為突出的作用[2]。

2.2 計(jì)算區(qū)域計(jì)算

在對(duì)風(fēng)環(huán)境進(jìn)行計(jì)算的過(guò)程中，其最后的計(jì)算結(jié)果與模擬計(jì)算區(qū)域的大小有著直接的聯(lián)系，因此相關(guān)人員應(yīng)做好區(qū)域大小的把控，一旦區(qū)域過(guò)小會(huì)造成流場(chǎng)失真的問(wèn)題，而區(qū)域過(guò)大則會(huì)導(dǎo)致計(jì)算量增加、網(wǎng)格數(shù)量明顯增多，整體的計(jì)算成本也會(huì)顯著提升。因此，合理確定區(qū)域有助于控制計(jì)算量，并完成對(duì)群體建筑流場(chǎng)的準(zhǔn)確描述。例如，在對(duì)群體建筑進(jìn)行風(fēng)環(huán)境CFD模擬的過(guò)程中，可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)將計(jì)算區(qū)域高度設(shè)定為3H、寬度設(shè)定為6H，入流與出流方向距離分別3H以及4H，其中H表示的是目標(biāo)建筑高度。

2.3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格的生成與劃分是流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算的重要組成部分，對(duì)于CFD計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性也有著直接影響，因此網(wǎng)格劃分是模型計(jì)算的關(guān)鍵所在。研究表明，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分的時(shí)候應(yīng)進(jìn)行局部加密，并將兩個(gè)相鄰的網(wǎng)格尺寸比控制在1.3以內(nèi)，同時(shí)相鄰網(wǎng)格中心線的連線也應(yīng)盡可能地保持在平行狀態(tài)。結(jié)合現(xiàn)階段的發(fā)展情況來(lái)看，六面體網(wǎng)格系統(tǒng)在進(jìn)行網(wǎng)格劃分的時(shí)候得到了較為常見(jiàn)的應(yīng)用，同時(shí)應(yīng)盡可能減少對(duì)單一四面體網(wǎng)格系統(tǒng)的應(yīng)用[3]。

2.4 邊界條件設(shè)置

建筑風(fēng)環(huán)境模擬離不開(kāi)對(duì)邊界條件的合理設(shè)置，其中主要涉及進(jìn)口邊界、出口邊界、頂部邊界以及地面邊界等。除此以外，要想完成相關(guān)計(jì)算過(guò)程，還應(yīng)選擇科學(xué)的計(jì)算模型與離散格式，考慮到群體建筑風(fēng)環(huán)境大多為不可壓縮、低速湍流，因此應(yīng)以此為基礎(chǔ)進(jìn)行湍流模型的選擇，盡可能減少風(fēng)環(huán)境模擬上的誤差。而應(yīng)用CFD軟件還離不開(kāi)適合的離散格式，當(dāng)前較常見(jiàn)的包括一階迎風(fēng)格式、二階迎風(fēng)格式等[4]。

3 基于CFD技術(shù)的群體建筑風(fēng)環(huán)境計(jì)算

3.1 計(jì)算過(guò)程

首先需要完成對(duì)流場(chǎng)邊界的測(cè)算，通過(guò)有限體積法對(duì)相關(guān)區(qū)域進(jìn)行離散，進(jìn)而在離散之后得到的非線性代數(shù)方程可以表示為：

結(jié)合（1）式來(lái)看，φ表示的是變量Uj(j=1，2，3)，aP、am表示的都是相應(yīng)的系數(shù)，而b為源項(xiàng)。針對(duì)流場(chǎng)計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分所采用的是非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其主要指的是先在建筑物壁面布置一些比較細(xì)的網(wǎng)格，待其提升對(duì)流場(chǎng)的適應(yīng)能力以后，再布置較粗的網(wǎng)格，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)整體流體進(jìn)行劃分。與此同時(shí)，在進(jìn)行網(wǎng)格離散的時(shí)候還會(huì)應(yīng)用到Laplacian光順?lè)椒ǎ摲椒ǖ膽?yīng)用可以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)格點(diǎn)的優(yōu)化。在計(jì)算來(lái)流水平風(fēng)速的時(shí)候按照建筑物的高度規(guī)律U=U0(Z/Z0)α的公式進(jìn)行，其中α可以按照C類地貌取0.25，而當(dāng)Z0=400m的時(shí)候U0=13m/s。根據(jù)以上內(nèi)容可以進(jìn)一步得出以下公式：

結(jié)合（2）式來(lái)看，k為湍動(dòng)能，J；U為平均速度，m/s；I為湍流強(qiáng)度，mpa；ε為湍能耗散率，%；u為雷諾數(shù)，κ為系數(shù)，Z為梯度風(fēng)高度處，m；Cμ為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。出口處截面取在無(wú)回流處，建筑物墻面以及地面采用的是無(wú)滑移邊界條件，并借助FLUENT軟件完成對(duì)網(wǎng)格的劃分與計(jì)算。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

3.2.1 單體建筑風(fēng)場(chǎng)

在對(duì)單個(gè)矩形建筑進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候，借助RNGk-ε湍流模型完成模型計(jì)算值以及風(fēng)洞試驗(yàn)值的比較，其中模型的計(jì)算值可以給出風(fēng)速矢量圖以及風(fēng)速比，而風(fēng)洞試驗(yàn)值只能給出單一的風(fēng)速比圖[5]。值得注意的是，風(fēng)速比值直接反映的是建筑物受風(fēng)速的影響，而單體建筑的存在也進(jìn)一步起到了增大當(dāng)?shù)仫L(fēng)速的作用。結(jié)合實(shí)際的計(jì)算過(guò)程來(lái)看，在使用RNGk-ε模型進(jìn)行計(jì)算的過(guò)程中，氣流在建筑物側(cè)面的分離會(huì)存在一定程度上的提前情況，而在風(fēng)速方面與風(fēng)洞試驗(yàn)值較為吻合，因此可以得出RNGk-ε模型對(duì)于預(yù)測(cè)建筑物周圍流動(dòng)風(fēng)場(chǎng)有著十分良好的效果。

3.2.2 群體建筑風(fēng)場(chǎng)

而在對(duì)群體建筑風(fēng)環(huán)境進(jìn)行測(cè)算的過(guò)程中，為保證該模型可以發(fā)揮出其應(yīng)有的作用，應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化數(shù)據(jù)選取。結(jié)合計(jì)算過(guò)程來(lái)看，在人行高度為2m的時(shí)候，由于X建筑的高度較高，因此在存在氣流的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生一定的下沖氣流。與此同時(shí)，在X建筑和B建筑之間也會(huì)產(chǎn)生氣流，造成風(fēng)速的明顯提升，風(fēng)速比值最大甚至可以達(dá)到1.8。X建筑和F建筑以及C建筑和E建筑之間會(huì)產(chǎn)生一定的負(fù)壓區(qū)，整體流動(dòng)是比較弱的，但流動(dòng)要素卻相對(duì)復(fù)雜，平均風(fēng)速在0.4左右。圖1為行人高度處2m的風(fēng)速比值和風(fēng)速矢量圖。

圖1 行人高度處(2m)的風(fēng)速比值和風(fēng)速矢量圖

3.2.3 誤差分析

結(jié)合上述的計(jì)算過(guò)程來(lái)看，與風(fēng)洞試驗(yàn)會(huì)存在一定的誤差，而誤差產(chǎn)生的原因主要集中于以下幾個(gè)方面：①邊界條件因素。在進(jìn)行計(jì)算的過(guò)程中，涉及的地面粗糙程度以及流動(dòng)風(fēng)脈動(dòng)分量等參數(shù)都是假定的，因此很有可能與風(fēng)洞試驗(yàn)的邊界設(shè)定存在不符；②湍流模型因素。本文計(jì)算所選擇的方法為RNGk-ε湍流模型計(jì)算，該模型雖然在k-ε湍流模型的基礎(chǔ)上有著一定程度上的改進(jìn)，但在捕捉鈍體繞流的時(shí)候并不能取得良好的成效，因此也導(dǎo)致計(jì)算值與試驗(yàn)值存在較大的誤差；③在實(shí)際測(cè)算的過(guò)程中，測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性還會(huì)在一定程度上受到測(cè)量區(qū)域環(huán)境的影響，一旦存在回流、垂直氣流，不僅會(huì)提升測(cè)量難度，還會(huì)降低其精度。這也是導(dǎo)致測(cè)量值與實(shí)際值之間存在較大誤差的重要原因。

3.2.4 測(cè)量結(jié)論

本文對(duì)單體建筑以及群體建筑的風(fēng)環(huán)境加以測(cè)算，并將實(shí)際測(cè)算結(jié)果同風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，主要可以得出以下幾方面的結(jié)論：①RNGk-ε湍流模型在捕捉鈍體繞流時(shí)的結(jié)果不理想，拐角區(qū)域也偏大，因此在數(shù)值上與試驗(yàn)結(jié)果有著較大的偏差，但就整個(gè)計(jì)算區(qū)域的風(fēng)速比值分布來(lái)看，與試驗(yàn)值的誤差則較小，這也體現(xiàn)出了RNGk-ε湍流模型的合理性。②總的來(lái)說(shuō)，在進(jìn)行群體建筑風(fēng)環(huán)境測(cè)算的過(guò)程中，需要保證邊界條件、離散區(qū)域、離散方法等要素的科學(xué)性與合理性，進(jìn)而采用CFD數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)群體建筑風(fēng)環(huán)境加以測(cè)算，可以得出較為準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。值得注意的是，這部分測(cè)算結(jié)果對(duì)于后續(xù)的規(guī)劃設(shè)計(jì)工作也有一定的參考作用。③在計(jì)算的過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)間距的變化對(duì)于群體建筑風(fēng)環(huán)境也會(huì)產(chǎn)生一定的影響，對(duì)于建筑之間的狹管效應(yīng)來(lái)說(shuō)，間距過(guò)小、過(guò)大都不利于建筑周邊環(huán)境建設(shè)[6]。因此相關(guān)人員應(yīng)有效控制兩建筑的間距，從而提升行人的體驗(yàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在以往開(kāi)展群體建筑建設(shè)的過(guò)程中，相關(guān)人員往往會(huì)忽略微環(huán)境對(duì)于建筑體驗(yàn)感的影響。作為其中的重要影響因素，建筑風(fēng)環(huán)境的形成也會(huì)給行人帶來(lái)感覺(jué)上的變化。因此應(yīng)不斷加強(qiáng)對(duì)風(fēng)環(huán)境要素的計(jì)算，借助CFD技術(shù)，通過(guò)N-S方程和RNGk-ε湍流模型提升相關(guān)計(jì)算過(guò)程的精確程度，同時(shí)準(zhǔn)確把控模型簡(jiǎn)化、計(jì)算區(qū)域確定以及網(wǎng)格劃分等環(huán)節(jié)，得出相應(yīng)的環(huán)境數(shù)據(jù)，有效減少對(duì)區(qū)域氣候造成的不利影響。